【摘要】：三維虛擬現(xiàn)實(shí)漫游仿真和虛擬儀器實(shí)驗(yàn)過程仿真是目前的兩種主要仿真手段,前者能夠很好的模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景,后者則能更好的仿真實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)。本文針對(duì)測(cè)控類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的需求和特點(diǎn),提出了一種Unity3D+虛擬儀器的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方法,用Unity3D來展現(xiàn)大的虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和環(huán)境,用虛擬儀器來展現(xiàn)測(cè)控實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)和接入外部傳感器等信息,實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn),論文的主要工作如下:首先,本文基于ECS架構(gòu),提出了一種Unity3D下虛擬儀器的擴(kuò)展方法,可以在Unity3D平臺(tái)上對(duì)構(gòu)件進(jìn)行動(dòng)態(tài)裝配。然后本文設(shè)計(jì)了虛擬儀器構(gòu)件的顯示方法,交互方法,通訊機(jī)制。虛擬儀器的顯示部分,本文設(shè)計(jì)了一種多圖層疊加的二維曲線繪制方法和基于樹狀節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的三維模型顯示方法。虛擬儀器交互部分,本文設(shè)計(jì)了事件-監(jiān)聽-響應(yīng)模型來實(shí)現(xiàn)用戶和虛擬儀器交互。虛擬儀器通訊部分,本文提出一種基于事件中心的發(fā)布-訂閱機(jī)制,實(shí)現(xiàn)虛擬儀器構(gòu)件間的聯(lián)動(dòng)。并且在此基礎(chǔ)上,本文設(shè)計(jì)了分析類、顯示類、操作類、硬件類等多種不同功能的虛擬儀器構(gòu)件。此外,本文還搭建了虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境,主要包括華中科技大學(xué)機(jī)械大樓和虛擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部環(huán)境。我們基于多重融合的紋理映射技術(shù)豐富虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的表面細(xì)節(jié),并基于延遲渲染對(duì)傳統(tǒng)的光照模型進(jìn)行了優(yōu)化,最終搭建了一個(gè)具有很強(qiáng)真實(shí)感、沉浸感的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。并且在此基礎(chǔ)上,添加了用戶交互,實(shí)現(xiàn)了虛擬場(chǎng)景中的虛擬漫游功能。最后,本文在Unity3D中對(duì)構(gòu)件進(jìn)行動(dòng)態(tài)裝配,搭建完整的虛擬仿真實(shí)驗(yàn),并將根據(jù)實(shí)際需求將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)布在網(wǎng)頁端或安卓端。為了實(shí)際證明本文提出的方法的有效性,本文針對(duì)《機(jī)械工程控制技術(shù)》和《工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)》這兩門課程開發(fā)了一定數(shù)量且種類不同的虛擬仿真實(shí)驗(yàn);同時(shí)也結(jié)合實(shí)際硬件,設(shè)計(jì)了基于Arduino的多傳感器測(cè)量實(shí)驗(yàn)。最終的結(jié)果表明,和傳統(tǒng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相比,本文開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有很好的沉浸感,真實(shí)感,可擴(kuò)展性。
【圖文】：

圖 1-1 浙江大學(xué)的三維虛擬校園1.2.2 虛擬儀器技術(shù)概述及發(fā)展20 世紀(jì) 80 年代初，NI（美國(guó)國(guó)家儀器）率先提出了虛擬儀器的概念。虛擬儀器(Virtual instrument )是指通過應(yīng)用程序?qū)⒐δ芑K和計(jì)算機(jī)結(jié)合起來，使原來需要各種硬件完成的測(cè)量系統(tǒng)盡可能地軟件化[16]。計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境和虛擬儀器功能模塊可以幫助用戶完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)、和顯示。目前虛擬儀器軟件開發(fā)技術(shù)主要分為兩類，一類是基于圖形化語言的軟件開發(fā)環(huán)境，典型的例子就是美國(guó)儀器公司的 LabVIEW。和傳統(tǒng)的文本編程方式不同，LabVIEW用可視化的框圖來編寫程序，界面友好，操作簡(jiǎn)單，大大降低了開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期。但缺點(diǎn)是開放性差，基于 LabVIEW 開發(fā)的虛擬儀器具有很強(qiáng)的平臺(tái)依賴性，難以擴(kuò)展。另一類虛擬儀器基于文本語言開發(fā)環(huán)境，例如美國(guó)儀器公司的 MeasuremenStudio 和美國(guó) Dundas 公司的 Gauge for.NET。其優(yōu)點(diǎn)是可以充分發(fā)揮文本語言的優(yōu)勢(shì)，

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文工電子網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，，學(xué)生可以通過該網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)相關(guān)電路原理[30]。2018年，太原理工大學(xué)基于 HTML5 開發(fā)了物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，設(shè)計(jì)了常用的物理化學(xué)類虛擬儀器功能，模擬了實(shí)際實(shí)驗(yàn)的操作流程，并配套了實(shí)驗(yàn)評(píng)測(cè)系統(tǒng)[31]。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TH70;TP391.9

【參考文獻(xiàn)】

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